INFORME DE INVESTIGACIÓN DE TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS

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INFORME DE INVESTIGACIÓN DE TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS: TURBINA MICHELL-BANKI

INTEGRANTES: 

AVILA CORTIJO DEIVY



BARDALES TOMAS CARLOS



CENTURION ALVA PAUL



MAGUIÑA CACEDA NICOLAS



PAZ NAVARRO JAVIER ENRIQUE



VARAS GALVEZ JHONNY ALEX



VASQUEZ ARRIBASPLATA GLMER

2011 Universidad Nacional de Trujillo

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PRESENTACIÓN El presente proyecto que se muestra a continuación fue realizado con la finalidad de afianzar los conocimientos adquiridos dentro del área de turbomáquinas, específicamente en estudio y posterior diseño de una turbina Michell Banki, esperamos sea de gran ayuda para el desarrollo de futuros proyectos dentro del área de energía de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo.

Universidad Nacional de Trujillo

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PRESENTACIÓN El presente proyecto que se muestra a continuación fue realizado con la finalidad de afianzar los conocimientos adquiridos dentro del área de turbomáquinas, específicamente en estudio y posterior diseño de una turbina Michell Banki, esperamos sea de gran ayuda para el desarrollo de futuros proyectos dentro del área de energía de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo.


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INDICE ANALITICO PRESENTACION………………………………………………………………………………… PRESENTACION………………………………………………………………………………… 2 INDICE…………………………………………………………………………………………..... INDICE…………………………………………………………………………………………..... 3 RESUMEN………………………………………………………………………………………… RESUMEN………………………………………………………………………………………… 4 I. GENERALIDADES GENERALIDADES……........... ……...................... ......................... .......................... ....................... ....................... ......................... ........................ ........... 5 1.1 Introducción. 1.2 Objetivos. 1.3 Identificación de las aplicaciones de la máquina hidráulica. II. RECOPILACION DE INFORMACIÓN………….…………………………….……… INFORMACIÓN ………….…………………………….……… 7 - 25 2.1 Descripción de partes y componentes 2.2 Operación y funcionamiento de la maquina hidráulica 2.3 Fotos, imágenes, planos y esquemas reales de la máquina y componentes. III. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACION TEORICA.. TEORICA ..…………………………..……. …………………………..……. 3.1 Algoritmo de diseño de la maquina hidráulica 3.2 Consideraciones pertinentes adicionales al diseño 3.3 Disertación de aspectos referentes al diseño

26 - 31

IV. DESARROLLO E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA……………………………… TECNOLÓGICA ……………………………… 32 - 43 4.1 Cálculo de dimensiones de componentes y parámetros de flujo. 4.2 Elaboración de software o programa de cálculo. 4.3 Especificaciones del diseño final. 4.4 Diseño e implementación de sistemas de bancos de ensayo para su estudio. V. INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN 5.1 Consideraciones desfavorables o fallas que se presentan durante el funcionamiento. 5.2 Metodología de tratamiento de d e las variables variabl es o parámetros parámetr os de operación operació n a ser investigados para optimización de la maquina o solución de posibles fallas. 5.3 Curvas de ensayo o resultados de investigaciones experimentales o simulación VI. CONCLUSIONES VII. SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES VIII. ANEXOS IX. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………… BIBLIOGRÁFICAS …………………………………………………….. 45


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RESUMEN El presente trabajo describe el trabajo de investigación realizado a una turbina MichellBanki en el cual vamos a describir su funcionamiento, partes y el desarrollo del algoritmo de cálculo de esta turbina. La turbina de flujo transversal o Michell-Banki es una máquina utilizada principalmente para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos. Sus ventajas principales están en su sencillo diseño y su fácil construcción lo que la hace atractiva en el balance económico de un aprovechamiento a pequeña escala. No obstante esto no impide que la turbina se utilice en grandes instalaciones. Las turbinas Michell-Banki se adaptan muy bien para la generación en mini y micro centrales hidroeléctricas, son sencillas, tienen bajos costos de fabricación, de instalación y de mantenimiento, pueden ser utilizadas en amplios intervalos de caudal y altura sin disminuir de manera apreciable su eficiencia. La turbina Michell-Banki, también conocida como: de Flujo cruzado, Michell, Ossbeger, es clasificada como una turbina de acción, entrada radial, de admisión parcial y flujo transversal.


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I.

GENERALIDADES: 1.1 INTRODUCCIÓN: Antes de empezar con la descripción detallada de una turbina Michell Banki consideramos adecuado dar unas definiciones previas que ayuden al buen entendimiento del proyecto desarrollado. a) MOTORES HIDRAULICOS Son aquellas maquinas que tienen por función principal aprovechar la energía cinética producida por el movimiento del agua al desplazarse entre dos alturas diferentes, es decir, los que aprovechan la energía cinética del agua al caer desde una cota elevada a otra cota más baja. b) TURBOMAQUINAS Son máquinas rotativas que permiten una transferencia energética entre un fluido y un rotor provisto de alabes o paleta, mientras el fluido pasa a través de ellos. Si la transferencia de energía se efectúa de la máquina a fluido se le da el nombre genérico de “Bomba”; si por el contrario el fluido cede, energía al rotor de la máquina se denomina “Turbina”. c) TURBINA HIDRAULICA Las turbinas hidráulicas son Turbomáquinas motoras. Así como una bomba absorbe energía mecánica y transfiere dicha energía al fluido: una turbina absorbe energía del fluido y transfiere dicha energía en algún movimiento mecánico. La función de una turbina y de toda máquina hidráulica es efectuar un cambio de energía entre un sistema mecánico y un sistema fluido. Los elementos siguientes:

fundamentales de


una

turbina hidráulica son los

5

     

Tubería de transición o de admisión. Inyector. Rotor o rodete. Eje. Alabe directriz Canal de fuga.

Existen distintas clasificaciones de las turbinas hidráulicas, para nuestro interés adoptaremos la siguiente clasificación: i. SEGÚN LA VARIACIÓN DE LA PRESIÓN ESTÁTICA A TRAVÉS DEL RODETE: A. TURBINAS DE IMPULSIÓN O DE ACCIÓN. B. TURBINAS DE REACCIÓN. En específico hablaremos de las turbinas de impulsión o de acción d) TURBINAS DE IMPULSIÓN O DE ACCIÓN Se llama Turbina de impulsión a aquella en la que la energía de presión o potencial del agua se convierte en energía cinética antes de que esta agua incida sobre una limitada porción periférica de un elemento rotativo, sin que haya un cambio posterior de presión. Entre las Turbinas de Impulsión tenemos:   

Turbina Michell Banki Turbina Pelton de uno o más inyectores Turbina Turgo

Las actuales máquinas de impulsión se vienen utilizando del tipo MichellBanki, en las zonas de bajos recursos económicos en el Perú, siendo estás las más convenientes por la sencillez de su manufactura y porque aprovechan pequeñas cotas de altura. 1.2 OBJETIVOS:  

 

Describir los componentes de una turbina Michell-Banki. Describir la fabricación de cada una de las piezas de una turbina Michell-Banki. Describir el funcionamiento del sistema mecánico. Ampliar nuestro conocimiento acerca de las aplicaciones de la turbina Michell-Banki.

1.3 IDENTIFICACIÓN DE LAS APLICACIONES O UTILIZACIÓN DE LA MÁQUINA HIDRÁULICA: Aunque la turbina de flujo transversal o Michell-Banki se conoce como una máquina de pequeña escala, existen actualmente máquinas de este tipo de hasta 6 MW. Las principales características de esta máquina son las siguientes:


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   

II.

La velocidad de giro puede ser seleccionada hasta 1000 rpm, este dato lo demuestra la práctica. El diámetro de la turbina no depende necesariamente del caudal. Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas. Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe ajustable.

RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN 2.1 DESCRIPCIÓN DE PARTES Y/O COMPONENTES Los elementos típicos que constituyen una Turbinas Michell-Banki son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tubería de Transición. Inyector. Rotor o rodete. Eje. Alabe directriz. Deflector.

1. TUBERÍA DE TRANSICIÓN. Se usa cuando la turbina está ligada a una tubería forzada. Su función es la de cambiar la sección circular del tubo en rectangular, conforme al del inyector sin que ocurra pérdidas significativas de carga


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Fig.II-01

2. INYECTOR. Su función es convertir la energía disponible, en energía cinética. Es un elemento encargado de encausar el flujo de agua al ingreso del rodete, de manera que no ocurran choques a la entrada de este. En la turbina Michell Banki, la entrada del agua es proopulsada por una bomba, este flujo de agua se gobierna por medio de palas directrices perfiladas de fuerza compensada. Las palas directrices dividen y dirigen la corriente de agua que proviene de la bomba haciendo que ésta llegue al rodete sin efecto de golpe – con independencia de la abertura de entrada. Ambas palas giratorias se hallan perfectamente ajustadas. Las pérdidas por fuga son tan escasas que la pala directriz puede servir de órgano de cierre. De esta manera no es preciso que se prevea ninguna válvula de cierre entre la tubería de presión y la turbina. La palas directriz puede regularse independientemente entre sí mediante una palanca reguladora a la que se acopla la regu laci ón man ual.


8

Fig.II-02

Fig.II-03

En las figuras anteriores se muestra la forma y ubicación del inyector así como un ejemplo geométrico de este. 3. ROTOR O RODETE. Es el que recibe el impulso del agua para luego convertirlo en energía mecánica o potencia. El rodete constituye la parte esencial de la turbina. Está equipado con palas que, que están fabricadas en acero perfilado estirado blanco y ajustadas y soldadas a ambos lados en discos terminales según un procedimiento especial. Según sea su tamaño, el rodete puede poseer un número de específico. Las palas curvadas linealmente sólo producen un empuje axial pequeño, este empuje axial es amortiguado por medio de los rodamientos . Antes del montaje final el eje de la turbina es sometido a un balanceo y un perfecto alineamiento. 4. EJE. Se usa siempre en posición horizontal, normalmente es pasante a través del centro del rodete. Permite transmitir la potencia generada por el rodete, por medio de elementos de transmisión al generador.


9

Fig.II-03 5. ÁLABE DIRECTRIZ. Su función es la de controlar el paso del agua hacia el rodete en función de la carga necesaria. Divide el flujo en dos partes, ambas áreas transversales decrecen en direción del flujo.


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Fig.II-04

6. DEFLECTOR. Envuelve toda la turbina, es la que da la forma estructural del sistema, protege el ambiente del agua que pueda salpicar de los álabes del rodete conduciéndola al compartimiento del tubo de succión o al canal de fuga conforme sea el caso. La manera general en que se presentan este tipo de bombas es: Partes generales de una turbina Michell Banqui.

Fig.II-05


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Forma común de disposición de la turbina y las piezas correspondientes.

Fig.II-06 2.2 OPERACIÓN Y O FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA HIDRAÚLICA TEORÍA DE OPERACIÓN DE TURBINA MICHELL BANKI Es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial. Debido a su número específico de revoluciones cuenta entre las turbinas de régimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una sección rectangular, y éste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro. La máquina se clasifica normalmente como una turbina de impulso. Esto no es estrictamente correcto y probablemente está basado en el hecho que el diseño original fue verdaderamente una turbina de presión constante. Un espacio suficientemente grande fue dejado entre el inyector y el rotor, de modo que el chorro entra al rodete sin presión estática. Los diseños modernos se construyen usualmente con un inyector que cubre un mayor arco de la periferia del rodete. Con esta medida se incrementa el flujo unitario, permitiendo mantener pequeño el tamaño de la turbina.


12

Estos diseños trabajan como turbinas de impulso solo con pequeñas aberturas de compuerta cuando el flujo reducido no llena completamente el pasaje entre álabes y la presión dentro del rodete es, entonces, la atmosférica. Con caudales crecientes, que llenan completamente los pasajes entre álabes, hay una pequeña presión positiva; la turbina trabaja ahora como una máquina de reacción. Fig.II-07 La turbina de flujo cruzado puede aplicarse sobre un rango de alturas de caída desde menos de 2 m a más de 100 m. Una gran variedad de caudales pueden acomodarse con un diámetro constante del rotor. En la imagen anterior se muestra el funcionamiento de forma general. OPERACIÓN DE TURBINA MICHELL BANKI Es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial. Debido a su número específico de revoluciones cuenta entre las turbinas de régimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una sección rectangular, y éste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro. La máquina se clasifica normalmente como una turbina de impulso. Esto no es estrictamente correcto y probablemente está basado en el hecho que el diseño original fue verdaderamente una turbina de presión constante. Un espacio suficientemente grande fue dejado entre el inyector y el rotor, de modo que el chorro entra al rodete sin presión estática. Los diseños modernos se construyen usualmente con un inyector que cubre un mayor arco de la periferia del rodete. Con esta medida se incrementa el flujo unitario, Permitiendo mantener pequeño el tamaño de la turbina. Estos diseños trabajan como turbinas de impulso solo con pequeñas aberturas de compuerta cuando el flujo reducido no llena completamente el pasaje entre álabes y la presión dentro del rodete es, entonces, la atmosférica. Con caudales crecientes, que llenan completamente los pasajes entre álabes, hay una pequeña presión positiva; la turbina trabaja ahora como una máquina de reacción. La turbina de flujo cruzado puede aplicarse sobre un rango de alturas de caída desde menos de 2 m a más de 100 m. Una gran variedad de caudales pueden acomodarse con un diámetro constante del rotor.


13

En las figuras se puede apreciar el funcionamiento de la turbina.

Fig.II-08

Debido a que no se pudo tener acceso a una turbina en la industria entonces se trabajará con los datos que nos brinda una bomba ya diseñada en una tesis hecha en la escuela de Ingeniería Mecánica la cual tiene los siguientes parámetros de diseño:


14

La turbina que se tiene es la siguiente:

Fig.II-09

PARÁMETROS ENERGÉTICOS Y DE DISEÑO. H (ALTURA) N(REVOLUCIONES) Q (CAUDAL) nq (VELOCIDAD ESPECÍFICA DEL CAUDAL) α (ÁNGULO DE ATAQUE) Kc (COEFICIENTE DE PERDIDA DEL INYECTOR) ηit (RENDIMIENTO INTERNO TEORICO) a (COEFICIENTE DE FUGA DE CAUDAL) ηi (RENDIEMIENTO INTERNO) ηm (RENDIMIENTO MECÁNICO) ηt (RENDIMIENTO DE LA TURBINA)


RESULTADO S 8 560 0.09 105.95 16 0.97 0.86 0.95 0.82 0.86 0.71

UNIDADE S m rpm m3/s grados

15

P (POTENCIA NOMINAL AL EJE) C1 (VELOCIDAD ABSOLUTA) U1 (VELOCIDAD TANGENCIAL) D (DIAMETRO EXTERNO DEL ROTOR) Di (DIAMETRO INTERNO DEL ROTOR) Z (NÚMERO DE ALABES) ep (ESPESOR DEL MATERIAL) Tt (PASO EXTERNO DE LOS ÁLABES) Bi (ANCHO DEL INYECTOR) B (ANCHO DEL ROTOR) r (RADIO MEDIO DE LOS ÁLBES) Dp (DIAMETRO PRIMITIVO) β (ÁNGULO ENTRE VELOCIDAD TANGENCIAL Y RELATIVA) L (DISTANCIA DEL FILETE INTERNO) dmin (DIAMETRO MIN. DEL EJE DEL ROTOR)

4.98 12.15 5.84 0.2 0.12 24 0.0025 0.03 0.17 0.24 0.04 0.14

Kw m/s m/s m m

32

grados

0.05 0.02

m m

m m m m m m

La instalación para esta turbina sería la siguiente:

Fig.II-10


16

Fig.II-11


17

Fig.II-12 Donde se muestra el flujo de agua a través de la bomba.

Fig.II-13 Donde se muestra el flujo de agua a través de la bomba y la instalación de desague de la misma A continuación se presentan algunas fotos de la turbina fabricada y del sólido en Solidworks


18

Fig.II-14 Base de la turbina.

Fig.II-15 Deflector (I)


19

Fig.II-16 Deflector (II)

Fig.II-17 Rodamientos, pernos y carcasa.


20

Fig.II-18 Tubo de admisión (Tobera)

Fig.II-19 Base de la turbina-Deflector.


21

Fig.II-20 Rodete.

Fig.II-21 Álabe directriz.


22

Fig.II-22 Deflector II

Fig.II-23 Rodamientos.


23

Fig.II-24Deflector III

Los sólidos de Solidworks® son los siguientes:

Com onentes de la carcasa


24

Deflector.

Rotor y chumacera.


25

Inyector.

Ensamble.


26

III.

FUNDAMENTO Y JUSTIFICACIÓN TEÓRICA 3.1 ALGORITMO DE DISEÑO DE LA MAQUINA HIDRÁULICA. 3.1.1 DATOS DE DISEÑO Altura: H Caudal: Q Velocidad de giro: n 3.1.2 Datos asumidos Coeficiente de velocidad del inyector:  , esta constante toma diferentes valores, en nuestro país el valor asumido es de 0.967. Aceleración de la gravedad:    ⁄  .   







 

Angulo formado entre la velocidad total y la velocidad de arrastre: α 1, este ángulo varía entre 14° y 17°, se asumirá un angulo de 16°. Espesor de la tubería: e p Relación entre el número de alabes en la admisión y el número total de alabes: X z, este coeficiente es una relación entre el número de álabes en la admisión y el número de alabes totales, varía entre 0.05 y 0.35, se asumirá el valor máximo de 0.35.

3.1.3 CÁLCULOS Los parámetros a encontrar son referentes a las siguientes figuras:


27

Triángulos de velocidades en la turbina Banki.

Parámetros característicos en el trazado de los alabes de una turbina Banki.


28

Parámetros que permiten el trazado del inyector.  

  





















 







Velocidad de entrada:      Ángulo formado entre la velocidad relativa y la velocidad de arrastre a la entrada:  Velocidad de arrastre a la entrada:    √  Velocidad relativa a la entrada:    √  Componente de la velocidad total en la dirección de arrastre:    √   Diámetro del rotor:    

Número de alabes del rotor:    



Número de alabes en la admisión:      Ancho del rodete:      

Paso:  





 

Área de admisión:      Angulo entre alabes: ̂  

       ̂

       ̂

  ̂   ̂  

Radio del rotor:   ⁄ Ancho radial:   

     

Cuerda del alabe:   



   

  

Radio del alabe:   




     

     

29







Longitud de admisión:          Angulo de admisión:     

3.2 CONSIDERACIONES PERTINENTES ADICIONALES AL DISEÑO. 3.2.1 INYECTOR CON REGULACIÓN Existen varias geometrías de inyectores y sistemas de regulación como los que se aprecian en la figura de abajo. Se expondrá en esta sección un sistema de regulación mediante alabe director recomendado por la organización latinoamericana de energía (O.LA.D.E.). En este diseño, el alabe regulador divide el flujo en dos partes, una superior y otra inferior, con la finalidad de disminuir la cupla de accionamiento de dicho alabe. Se verifica que la cupla nula se manifiesta para un 50% de apertura aproximadamente. Las maquinas que tienen esta geometría de inyector y funcionan con saltos mayores a 25 m pueden tener problemas causados por la presencia de cavitación en zonas a bajas presiones, como la superficie inferior del alabe regulador.

3.2.2 TUBO DE ASPIRACIÓN La turbina de flujo transversal generalmente trabaja sin tubo de aspiración como cualquier máquina de impulsión, por lo tanto se instalan a una altura considerable sobre el nivel de agua de restitución y de acuerdo a las variaciones del mismo, desaprovechando dicha altura. No obstante un tubo de aspiración es conveniente para caídas medianas y pequeñas. Este tubo permite realizar un montaje a prueba de crecidas con un aprovechamiento de toda la altura


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disponible en el salto. El tubo de aspiración se instala con el extremo inferior sumergido en el canal de restitución y el agua contenida en su interior genera una presión negativa en la zona del rodete, por lo cual la carcasa debe tener un cierre hermético. La regulación del nivel de agua generalmente se realiza por medio de una valvula de aireación regulable que influye sobre el vacío en la carcasa de la turbina. Este tipo de valvula trae aparejado el inconveniente que se manifiesta cuando asciende el nivel de restitución en periodo de crecidas y no se logra alcanzar la diferencia de presión para el ingreso de aire previamente ajustada, con lo que el nivel del agua inunda el rodete. Para evitar este problema es necesario regular el nivel de agua utilizando sistemas que no dependan de la presión interior sino directamente del nivel en el interior del tubo. En la puesta en marcha, la velocidad de caída del agua arrastra el aire hacia el exterior y llega a una posición de equilibrio al cabo de un cierto tiempo que se reduce con la disminución del diámetro del tubo.

Tanque auxiliar cargado parcialmente con agua y conectado por m edio de dos conductos de aspiración. Al ascender el nivel de agua, el flotador es desplazado verticalmente, accionando una valvula para el ingreso del aire.

3.2.3 VELOCIDAD DE EMBALAMIENTO En el funcionamiento de una turbina hidráulica acoplada a un generador eléctrico, el par motor se mantiene siempre igual


31

gracias al sistema de regulación al par originado por las resistencias pasivas y la carga útil del generador. Si la turbina queda sin carga y fallan los mecanismos de seguridad que complementan normalmente todo sistema de regulación la velocidad del grupo aumenta, aumentando el par de las resistencias pasivas hasta que se hace igual al par motor y la aceleración se reduce a cero. Si no existiesen las resistencias pasivas la aceleración nunca se reducirá a cero y teóricamente se hara infinita, sobreviniendo antes la destrucción del grupo. A la velocidad máxima que adquiere la turbina en marcha en vacio se la denomina velocidad de embalamiento. Esta velocidad es distinta para cada apertura del alabe regulador. El rotor del grupo incluyendo el rotor del alternador, ha de estar diseñado para resistir la velocidad de embalamiento. En las turbinas de flujo transversal la velocidad de embalamiento máxima corresponde al 100% de apertura del alabe regulador y disminuye a medida que se cierra el mismo. 3.3 DISERTACIÓN DE ASPECTOS PROPUESTO EN 2.1-2.2.


REFERENTES

AL

DISEÑO

32

IV. DESARROLLO E INNOVACIÓN TECNOLÓGICA a. Calculo de dim ensiones de com pon entes y p arámetros del flujo (resultados coherentes con una maquina hidráulica existente) Luego del análisis matemático de los diferentes métodos de dimensionamiento explicados anteriormente obtenemos un cuadro de resultados, los cuales muestran los parámetros de diseño, teniendo en cuenta los siguientes parámetros de entrada. N = 560 RPM. H = 8m. Q = 0.09 m3 /s El cuadro se muestra a continuación: DESCRIPCION H (Altura) N (Revoluciones) Q (Caudal)

RESULTADOS UNIDADES 8.00

m

560.00

rpm

0.09

m3/s

nq(Velocidad Específica del Caudal)

105.95

α (Ángulo De Ataque)

16.00

Kc (Coeficiente de Perdida Del Inyector)

0.97

ηit (Rendimiento Interno Teórico)

0.86

a (Coeficiente De Fuga De Caudal)

0.95

ηi (Rendimiento Interno)

0.82

ηm (Rendimiento Mecánico)

0.86

ηt (Rendimiento De La Turbina)

0.71

P (Potencia Nominal Al Eje)

4.98


grados

Kw

33

C1 (Velocidad Absoluta)

12.15

m/s

U1 (Velocidad Tangencial)

5.84

m/s

D (Diámetro Externo Del Rotor)

0.20

m

Di (Diámetro Interno Del Rotor)

0.12

m

Z (Número De Alabes)

24.00

ep (Espesor Del Material)

0.0025

m

Tt (Paso Externo De Los Álabes)

0.03

m

Bi (Ancho Del Inyector)

0.17

m

B (Ancho Del Rotor)

0.24

m

r (Radio Medio De Los Álabes)

0.04

m

Dp (Diámetro Primitivo)

0.14

m

β (Ángulo Entre Velocidad Tangencial Y Relativa)

32.00

grados

L (Distancia Del Filete Interno)

0.05

m

dmin (diámetro min. del eje del rotor)

0.02

m

Cuadro 1. Resultados de los parámetros de diseño de la Turbina Michell Banki De acuerdo a la tabla 3 el dimensionamiento del inyector y del álabe directriz son los parámetros que se muestra según el diámetro 200mm del rodete.

DIAMETRO DEL RODETE EN mm

COTA (mm)

200

300

400

500

a

261

348

435

522

b

195

260

325

390

c

31

41

52

62

d

102

136

170

204

e

85

113

142

170

f

55

73

92

110

RI

168

224

280

336

RII

151

201

252

302

RIII

28

37

47

56


34

R1

133

177

138

161

R2

75

100

96

111

R3

110

110

138

160

R4

70

80

83

126

R5

35

50

52

66

R6

45

77

52

29

R7

100

90

101

126

x

40

47

48

63

y

120

136

147

211

L1

98

111

122

179

L2

60

70

90

136

L3

24

27

25

64

Tabla 3

b.

Elaboración del softw are o program a para el cálculo de com po nentes y simulación de su funcionamiento.

Ver anexos. c. Especificaciones del diseño final Ver anexos

d.

Diseñ o e imp lementación de sistemas o bancos d e ensayo p ara su estud io experiment al (propu esta de c ons truc ción co n tecn olog ía actualizada) CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL BANCO DE PRUE BA

Presentamos la descripción del banco de pruebas, la determinación de salto y caudal, el análisis de la geometría del rodete, el análisis de la geometría del inyector y de las diferentes zonas posibles de trabajo de la turbina y resultados de la simulación. El diseño de la unidad de prueba se ejecutara teniendo como requisitos, ser una unidad compacta, versátil y la posibilidad de fácil fabricación local del equipo, en donde se puede obtener 5kW de energía eléctrica, mediante un generador trifásico comercial de 1800rpm, utilizando un


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acople directo para la conexión con el rodete de la turbina. Esta propuesta permitirá poder visualizar la transformación de energía mecánica en energía eléctrica mediante resistencias y bombillas de luz, determinar las zonas de aplicación de la turbina hidráulica, las curvas de funcionamiento y evaluar el comportamiento de la turbina.

DESCRIPCION Y FUNCIONES DEL BANCO DE PRUEBA Un banco de pruebas es el conjunto de equipos, dispositivos de regulación y control así como instrumentos de medición que permite simular un recurso hidráulico y su aprovechamiento en la generación de energía eléctrica mediante una turbina hidráulica. El registro de las variables: caudal, presión y entre otras permitirán la evaluación del funcionamiento y la determinación de las curvas de operación de la turbina.

El banco de pruebas que se desarrolla permitirá: o o o

Visualizar el proceso de transformación de energía. Determinar las zonas de aplicación de la turbina hidráulica. Determinar las curvas de funcionamiento y evaluar el comportamiento de la turbina.

El banco de prueba consta de las siguientes partes (Fig. 1.1) 

El sistema de simulación del recurso hidráulico compuesto por: a:

Bo m ba cen trífu ga: equipo que genera la presión que normalmente se produce por la caída que presentan diversos ríos en el interior del país.

b:

El depósito: componente donde se descarga el flujo de agua, que también funciona como tanque para la toma de la bomba.

c : C i r c u i t o c e r r a d o d e r e c i r c u l a c i ó n : conjunto de tuberías que conduce el agua del tanque hacia la turbina por medio de la bomba. 

El sis tem a d e tran sf or m ación de la ener gía h id ráuli ca en en erg ía m ec án ic a, c o m p u e s t o p o r :

a: Turbina Michell Banki, turbomáquina que realiza la labor de transformar la energía hidráulica en energía mecánica. 

El sistem a d e transf orm ación de ct ri ca, co m p u es to p o r : en er g ía elé


la

energ ía

m ecánic a

en

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a: Gen era do r elé ct ri c o: Equipo que convierte la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica. b: Carg a elé ct ric a y sis tem a de reg ula ción por medio de un banco de resistencias para la operación de la turbina a cargas parciales.

ENSAMBLE DEL BANCO DE PRUEBAS En el capítulo se presenta el ensamble de la turbina, la descripción de los componentes más importantes que forman parte del conjunto y la secuencia que sigue en el montaje; el orden y la posición final para el correcto funcionamiento del banco de pruebas. Para el diseño de los componentes se tuvo como referencia las recomendaciones de Centro Suizo de Tecnología apropiada en el ILE, Instituto de Investigación sobre América Latina y de Cooperación al desarrollo, Universidad de Sankt – Gallen SKAT.

Recomendamos en la construcción utilizar los materiales, procesos de fabricación y procedimiento de soldadura designado en los capítulos anteriores, así como ajustarse a las tolerancias y acabado superficiales mencionados en los planos adjuntos.

Fig. 1.1 ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS DE UNA TURBINA MICHELL-


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BANKI

PROTOCOLO DE EVALUACION Y MANUAL DE OPERACIONES DEL BANCO DE PRUEBAS En este punto se presentará la propuesta de una guía de Ensayo, en donde se incluirán los siguientes puntos: 1.- Objetivos del ensayo 2.- Los fundamentos teóricos 3.-Esquema del Banco de Pruebas 4.- La descripción del equipo 5.- El procedimiento de ensayo 6.- Los cálculos y gráficos 7.- El análisis de ensayo 8.- Los protocolo de pruebas 9.- Las conclusiones del ensayo.

Este material permitirá al estudiante poder observar el funcionamiento de la turbina y verificar las relaciones básicas que gobiernan su operación en los diferentes proyectos hidráulicos. Además, se deberá presentar el manual completo de operaciones de la maquina, en donde se especifique: 1.- Una breve introducción 2.- La descripción del equipo 3.- La operación del equipo 4.- Ensamble del equipo 5.- El control del banco de pruebas 6.- Los equipos de medición a utilizar

Todos estos parámetros permitirán una buena operación durante el ensayo y las pautas necesarias para un mantenimiento aceptable del banco de pruebas.


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ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS

1. Turbina Michell-Banki. 2. Bomba Centrífuga. 3. Tubería de Ingreso de la Turbina. 4. Alternador Síncrono Trifásico. 5. Tanque de Almacenamiento de Agua.


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DESCRIPCIÓN DEL B ANCO D E PRUEBA S Equipos del banco d e pruebas:

I. Turbina Michell-Banki con características nominales:        

Diámetro Externo del rotor: 111mm Número de Álabes: 24 Ancho del rotor: 91mm Angulo del alabe: 74º Velocidad angular: 1800rpm Caudal de agua: 2.25m3/min. Salto neto: 25m Potencia Eléctrica: 5kW

II. Bomba centrifuga para generación del salto, de las siguientes características nominales:     

Velocidad angular: 1750rpm Potencia Mecánica: 20 HP Altura total: 35m Caudal desplazado: 2.25m3/min. Tamaño: 4 x 6-13

III. Tubería de ingreso a la turbina con un diámetro d e 6” IV. Alternador síncrono trifásico auto-excitado, de las siguientes características:     

Velocidad: 1800rpm Frecuencia: 60Hz Voltaje: 440/220v Salida: 6.7kW Eficiencia: 78.3%

V. Banco de luminarias de 150W, para cada foco. VI. Banco de resistencias resistivas. VII. Tablero eléctrico de mando y control. VIII. Tanque de almacenamiento del agua circulante, para un volumen de 3m3, fabricada de plancha de acero SA285C y de espesor de 3m

EL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

I. Verificar que el nivel de agua en el canal sea el adecuado, en caso contrario, llevar el nivel a la altura del vértice del vertedero. El agua deberá estar libre de impurezas,


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cambiar el agua si es necesario. II. Regular las escalas de los instrumentos al punto cero, tanto para la medición de caudal como para la medición de la fuerza. III. Cerrar completamente el distribuidor de caudal de la turbina y abrir totalmente las válvulas instaladas en la tubería de succión y descarga. IV. Conectar a la línea de suministro de energía el regulador de velocidad del motor de accionamiento de la bomba centrifuga. Poner en funcionamiento la bomba centrifuga aumentando la velocidad hasta obtener la presión requerida para el ensayo. V. Abrir gradualmente el distribuidor de caudal girando las vueltas necesarias según manda en el protocolo de pruebas, para obtener los valores de caudal necesarios para el ensayo, regulando también la velocidad de la bomba para obtener una presión de entrada constante. VI. Verificar la estabilidad de la frecuencia, en el generador. VII. Encender las cargas eléctricas correspondientes, para cada valor del caudal, siempre a una presión de entrada constante, para el cual simularemos la demanda de electricidad en una micro central hidráulica. VIII. Medir la velocidad de rotación del eje de la turbina. IX. Medir la fuerza en el dinamómetro para así poder calcular el torque y así poder calcular la potencia mecánica entregada. X. Medir el caudal, en el vertedero para verificar las condiciones iniciales del ensayo. XI. Repetir los pasos del V al X para tres diferentes saltos.

LOS CÁLCULOS Y GRÁFICOS Para un salto constante, debemos evaluar para cada caudal lo siguiente: - Torque producido en la turbina - Potencia Mecánica Desarrollada - Rendimiento total del grupo generador - Rendimiento total de la turbina - Rendimiento hidráulica de la turbina - La velocidad especifica

Además se debe graficar: - Torque vs Caudal


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- Potencia Mecánica vs Caudal - Rendimiento total de la turbina vs Caudal EL ANÁLISIS DE ENSAYO En base a los resultados del ensayo se debe analizar el comportamiento de la turbina y comparar con las tendencias previas y el modelo teórico.

LAS CONCLUSIONES DEL ENSAYO Se debe elaborar conclusiones específicas acerca del análisis del funcionamiento de la turbina, de posibles incongruencias, aplicaciones y performance del equipo en estudio.

VI.

CONCLUSIONES. 

En el presente proyecto se pudo aprender el diseño y funcionamiento de la turbina Michell Banki; así como aprender algunas generalidades acerca de esta turbina, como por ejemplo sus características, principios básicos entre otros.



De todo lo aprendido al realizar este proyecto podemos afirmar que el diseño y construcción de una turbina Michell Banki es sencillo.



También se debe observar la gran importancia que tiene esta turbina al aplicarse en zonas urbanas que aún no cuentan con un servicio eléctrico estable (pero que cuentan con alguna fuente de agua), todo esto es debido a la sencillez con se puede manipular.

VII. SUGERENCIAS

O

RECOMENDACIONES.

(POSIBLES

TESIS

DE

INVESTIGACIÓN, PROYECTOS DE DESARROLLO, MANEJO DE PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO U OTROS REFERENTES) 

Para facilitar la operación y mantenimiento de la Turbina Michell Banki es conveniente tener instrucciones básicas y fáciles para el usuario, un juego de planos, una lista de repuestos así como llevar un diario (bitácora) de ocurrencias.



La turbina Michell Banki posee un diseño simple que hace accesible su


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construcción en talleres de mecánica convencionales.



Se recomienda como guía la tesis de diseño de un banco de pruebas para la turbina Michelin Balkin.

VIII. ANEXOS.

Junto con el presente informe del proyecto, se hace entrega de los planos de los componentes de la turbina Michell Banki, además se hace entrega de un CD, así como una recopilación de la bibliografía utilizada en el presente informe, además también se incluyen una serie de tips que ayudaran a dar un buen mantenimiento de esta turbina Michell Banki.


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INFORME DE INVESTIGACIÓN DE TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS

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